CN109622954A - 层叠造型装置和层叠造型物的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种层叠造型装置和层叠造型物的制造方法，层叠造型装置具备材料层形成装置、第1照射装置以及温度调整装置，材料层形成装置在造型区域形成材料层，材料层形成于各个分割层，分割层是以规定高度将期望的三维造型物进行分割而成的多个分割层，第1照射装置向规定的分割层的材料层的照射区域照射第1光束而进行烧结或熔融来形成固化层，温度调整装置将固化层的至少一部分的温度调整为第1温度或第2温度中的至少一方。在固化层的至少一部分成为第1温度之后，成为第2温度。若使第1温度为T1、第2温度为T2、固化层的马氏体相变开始温度为Ms、固化层的马氏体相变结束温度为Mf，则满足T1≥Mf、T1＞T2、T2≤Ms的所有关系。本申请可抑制造型物的变形。

Description

层叠造型装置和层叠造型物的制造方法

技术领域

本发明涉及层叠造型装置和层叠造型物的制造方法。

背景技术

金属的层叠造型有多种方式。粉末烧结层叠造型方式、粉末熔融层叠造型方式、电子束烧结方式、电子束熔融方式、片材层叠方式等是公知的方法。根据这些方式，形成由金属材料构成的材料层，在该材料层的规定位置照射激光或电子束等光束，而使照射位置的材料层烧结或者熔融，通过反复地进行这样的过程，从而将多个烧结层或熔融层层叠，以形成期望的三维造型物。第1层的材料层也可以形成于配置在腔室内的造型板上。以下，将烧结和熔融称为固化，将烧结层和熔融层称为固化层。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：CN102985199B

专利文献2：US2015/0142160A1

专利文献3：CN106984810A

在金属的层叠造型中，固化层虽然在刚固化后温度非常高，但是通过已经形成的别的固化层和造型板或者向周围环境放热而温度会急剧下降。此时，由于普遍金属的热膨胀系数为正值，因此该固化层的体积会收缩。然而，由于该固化层与相邻的别的固化层或造型板紧密结合而收缩量被限制，因此拉伸应力残留于该固化层中。

另一方面，当金属材料为碳钢或马氏体不锈钢等马氏体系的材料时，虽然固化层在刚形成后为奥氏体相，但在满足一定的温度条件下冷却，则至少一部分相会变为马氏体相。由于马氏体相变伴随着体积的膨胀，因此会产生压缩应力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种层叠造型装置和层叠造型物的制造方法，通过对固化层刻意地进行马氏体相变而进行层叠造型，从而由金属的收缩而引发的拉伸应力会因马氏体相变的压缩应力而被减轻。这样就能够控制造型物的残余应力。

根据本发明，一方面提供一种层叠造型装置，其具备：材料层形成装置，其在造型区域形成材料层，所述材料层形成于以规定高度将期望的三维造型物进行分割而成的多个分割层中的每个分割层；第1照射装置，其向规定的所述分割层的所述材料层的规定的照射区域照射第1光束而进行烧结或熔融来形成固化层；以及，温度调整装置，其将所述固化层的至少一部分的温度调整为作为规定温度的第1温度或作为规定温度的第2温度中的至少一方，其中，所述固化层的所述至少一部分在变为所述第1温度之后，变为所述第2温度，其中，设所述第1温度为T1、所述第2温度为T2、所述固化层的马氏体相变开始温度为Ms、所述固化层的马氏体相变结束温度为Mf，则满足所有下述公式(1)至(3)的关系，

T1≥Mf (1)；

T1＞T2 (2)；

T2≤Ms (3)。

此外，根据本发明，另一方面还提供了一种层叠造型物的制造方法，其具备：材料层形成工序，在造型区域形成材料层，所述材料层形成于以规定高度将期望的三维造型物进行分割而成的多个分割层中的每个分割层；固化工序，向规定的所述分割层的所述材料层的规定的照射区域照射第1光束从而进行烧结或熔融来形成固化层；第1调温工序，使所述固化层的至少一部分的温度为作为规定温度的第1温度；以及，第2调温工序，使成为所述第1温度的所述固化层的所述至少一部分为作为规定温度的第2温度；其中，设所述第1温度为T1、所述第2温度为T2、所述固化层的马氏体相变开始温度为Ms、所述固化层的马氏体相变结束温度为Mf，满足所有下述公式(1)至(3)的关系，

T1≥Mf (1)；

T1＞T2 (2)；

T2≤Ms (3)。

本发明所涉及的层叠造型装置一边刻意地引发马氏体相变一边进行层叠造型。这样就可以通过减轻在造型物上产生的拉伸应力来抑制造型物的变形。

附图说明

图1是第1实施方式所涉及的层叠造型装置的概略结构图。

图2是第1实施方式所涉及的照射单元的概略结构图。

图3是第1温度调整装置的概略结构图。

图4是第2温度调整装置的概略结构图。

图5是利用第1实施方式所涉及的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。

图6是利用第1实施方式所涉及的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。

图7是利用第1实施方式所涉及的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。

图8是第2实施方式所涉及的层叠造型装置的概略结构图。

图9是第2实施方式所涉及的照射单元的概略结构图。

图10是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的照射区域的说明图。

图11是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的第1光束和第2光束的扫描方法的说明图。

图12A是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的预热工序前的规定部位的说明图。

图12B是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的预热工序中的规定部位的说明图。

图12C是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的固化工序中的规定部位的说明图。

图12D是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的第1调温工序中的规定部位的说明图。

图12E是表示第2实施方式所涉及的层叠造型装置的第1调温工序之后的规定部位的说明图。

图13是温度调整模式A的温度变化的概略图。

图14是温度调整模式B的温度变化的概略图。

图15是温度调整模式C的温度变化的概略图。

图16是温度调整模式D的温度变化的略图。

图17是温度调整模式B2的温度变化的概略图。

图18是温度调整模式C2的温度变化的概略图。

图19是将测定通过实施例的造型物的形变的结果以三维的方式表示的图。

图20是表示通过实施例的造型物的图19的y＝0时的xz平面上的形变的图。

图21是将测定通过比较例的造型物的形变的结果以三维的方式表示的图。

图22是表示通过比较例的造型物的图21的y＝0时的xz平面上的形变的图。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，结合图面说明本发明的第1实施方式。以下示出的实施方式中表示的各种特征事项可以互相组合。

第1实施方式所涉及的层叠造型装置是通过形成由材料粉体构成的材料层63，向该材料层63的规定位置照射第1光束L1，使照射位置的材料粉体烧结或熔融，通过反复地进行这样的过程从而将多个固化层65层叠以造型期望的三维造型物的层叠造型装置。如图1所示，本发明的层叠造型装置具有腔室1、材料层形成装置2、照射单元3A、切削装置4。

在覆盖所需的造型区域RM的腔室1中，与供给干净的惰性气体同步地将含有烧结或熔融材料层63时所产生的烟气的惰性气体排出，从而使腔室1中充满有规定浓度的惰性气体。惰性气体是指，实质上不与所使用的材料发生反应的气体，例如为氮气或氩气。

如图1所示，在腔室1中设置有材料层形成装置2，所述材料层形成装置2在各个分割层形成材料层63，所述分割层是对于造型区域RM将期望的三维造型物按照规定高度进行分割而构成的多个分割层。材料层形成装置2包含具有造型区域RM的底座21、以及配置于底座21上且以水平1轴方向(箭头B方向)往复移动的复涂机头23。复涂机头23的两侧面分别设有刮刀。复涂机头23一边从底面将收容于内部的材料粉体排出一边往复移动，刮刀将被排出的材料粉体进行平坦化而形成材料层63。造型区域RM上设有造型工作台25，所述造型工作台25可通过驱动机构27以上下方向(箭头U方向)移动。在层叠造型装置的使用时，通常造型工作台25上配置有造型板61，在其上方形成有第1层的材料层63A。在造型工作台25的周围，设有粉体保持壁29。在通过粉体保持壁29与造型工作台25而围成的粉体保持空间保持有未固化的材料粉体。应予说明，造型区域RM是可以形成层叠造型物的区域，且在造型区域RM形成材料层63。并且，照射区域RI是存在于造型区域RM内的形成固化层65的区域，与用期望的三维造型物的轮廓形状围绕的区域大概一致。

照射单元3A设置于腔室1的上方。第1实施方式所涉及的照射单元3A包含第1照射装置31和扫描机构34，所述第1照射装置31向材料层63的规定的照射区域RI照射第1光束L1使其烧结或熔融从而形成固化层，所述扫描机构34扫描第1光束L1。

如图2所示，第1照射装置31具有第1光源311、第1准直器313、第1聚焦控制单元315。第1光源311输出第1光束L1。这里，第1光束L1是能够将材料层63烧结或熔融的激光，例如CO2激光、光纤激光、或者YAG激光。第1准直器313将由第1光源311输出的第1光束L1转换为平行光。第1聚焦控制单元315将由第1光源311输出的第1光束L1进行聚光调整为期望的光斑直径。

扫描机构34例如为2轴的电扫描仪(扫描振镜，Galvano-Scanner)，电扫描仪具备一对电控反射镜34x、34y以及分别使电控反射镜34x、34y旋转的2个促动器。作为2轴的电扫描仪的扫描机构34以可控制的方式将由第1光源311输出的第1光束L1进行2次元扫描。控制装置(未图示)向2个促动器输出控制信号来控制围绕电控反射镜34x、34y的2轴旋转的旋转角度。根据这样的特征，通过改变输入到2个促动器的控制信号，能够向期望的位置照射第1光束L1。

经过电控反射镜34x、34y的第1光束L1透过设置在腔室1的上部的保护窗11照射到形成于造型区域RM的材料层63。并且，污染防止装置13设置成覆盖保护窗11的方式。污染防止装置13构成为：使供给的惰性气体充满于保护窗11下，且使惰性气体朝下方喷出。这样，由第1光束L1的路径排出烟气，且防止因烟气污染保护窗11。

切削装置4具备设置有主轴头43加工头41。主轴头43能够安装立铣刀等切削工具并使其旋转。加工头41通过未图示的加工头驱动机构，将主轴头43移动到腔室1内的期望的位置。这样的切削装置4能够对固化层65的表面或不必要部分进行切削加工。

这里，第1实施方式所涉及的层叠造型装置具备温度调整装置，该温度调整装置将固化层的至少一部分的温度调整为作为规定温度的第1温度T1或作为规定温度的第2温度T2中的至少一方。应予说明，在以下说明中，将作为温度调整的对象的固化层，即，在形成之后，没有完成1次按照第1温度T1、第2温度T2的顺序进行温度调整的固化层称为上面层。应予说明，温度调整不限于由温度调整装置的主动性的温度操作。例如，根据材料的组成，周边氛围的温度也可以成为作为第1温度T1或第2温度T2的适当的温度。此时，温度调整装置也可以为只调整成第1温度T1或第2温度T2中的一方的装置。第1实施方式所涉及的温度调整装置以第1温度T1、第2温度T2的顺序调整上面层的至少一部分的温度。优选，第1实施方式所涉及的温度调整装置以第1温度T1、第2温度T2、第1温度T1的顺序调整上面层的至少一部分的温度。应予说明，第1温度T1、第2温度T2、固化层65的马氏体相变开始温度Ms以及固化层65的马氏体相变结束温度Mf满足从下述公式(1)到(3)的所有关系。

T1≥Mf (1)；

T1＞T2 (2)；

T2≤Ms (3)。

在烧结或熔融后，温度调整之前的上面层是包含奥氏体相的状态，通过温度调整，至少一部分转变为马氏体相。

温度调整装置构成为能够将上面层的温度调整为第1温度T1或第2温度T2的至少一方即可。尤其是，温度调整装置具备将上面层调整为第1温度T1的加热器、以及将上面层调整为第2温度T2的冷却器中的至少任一方，优选具有两者。下面，作为温度调整装置的具体例子，表示第1温度调整装置51和第2温度调整装置52。

第1温度调整装置51具备设置于造型工作台25的内部的加热器51a和冷却器51b。加热器51a例如是电热器或流通热介质的管道。冷却器51b例如是流通热介质的管道。作为热介质，可使用水、油、液氮等各种流体。作为具体的构成例，如图3所示，造型工作台25具备天板25a和3个支撑板25b，25c，25d，在天板25a与支撑板25b之间设置有加热器51a，在支撑板25c与支撑板25d之间设置有冷却器51b。造型工作台25可以通过加热器51a和冷却器51b调整为包含第1温度T1和第2温度T2的任意温度。应予说明，为了防止造型工作台驱动机构27的热变位，也可以在第1温度调整装置51与造型工作台驱动机构27之间设置保持在一定温度的恒温部。如上所述，通过构成第1温度调整装置51，藉由造型板61和下层的固化层65，能够将上面层调整为期望的温度，其中，所述造型板61与设定为期望温度的造型工作台25的天板51c接触。

应予说明，材料层63优选预热为规定温度以进行烧结或熔融，第1温度调整装置51也有作为材料层63的预热装置的作用。例如，当第1温度T1适合作为预热温度时，优选材料层63通过第1温度调整装置51而被预热为第1温度T1。

图4所示的第2温度调整装置52具备将上面层从其上方侧调整为第1温度T1的加热器52a、以及将上面层从其上方侧调整为第2温度T2的冷却器52b。加热器52a例如是卤素灯等光加热器。冷却器52b例如是对上面层进行吹气的送风机、或使通过珀耳帖元件等而被冷却的冷却板与上面层接触的冷却机构，其中所述气体是与充满于腔室1的惰性气体等同种的冷却气体。根据这样的第2温度调整装置52，由于能够直接对上面层进行温度调整，因此在形成多数层的固化层65之后，也能够迅速进行上面层的温度调整。

如上所述，温度调整装置若构成为能够将上面层调整为第1温度或第2温度中的至少一方即可，可采用各种方式。例如，作为温度调整装置，在第1温度调整装置51和第2温度调整装置52中，可设置其中一方，也可以将两者都设置。例如，温度调整装置也可以具备第1温度调整装置51的加热器51a和冷却器51b以及第2温度调整装置52的加热器52a和冷却器52b的任意组合。温度调整装置也可以为其他方式。

并且，如图1所示，层叠造型装置具备测定上面层的温度的温度传感器55，温度调整装置也可以被反馈控制。通过这样的结构，可以更正确地控制上面层的温度。应予说明，也可以设置多个温度传感器55。并且，温度传感器55例如是红外线温度传感器。

这里，利用图5至图7说明第1实施方式所涉及的层叠造型物的制造方法中的各个工序。以下说明中，将以下工序称为材料层形成工序，即，对于造型区域RM在将期望的三维造型物以规定高度分割而构成的多个分割层形成材料层63的工序；将以下工序称为固化工序，即，在材料层63的规定照射区域RI照射第1光束L1而进行烧结或熔融，从而形成固化层65的工序；将以下工序称为第1调温工序，即，使上面层的至少一部分成为作为规定温度的第1温度T1的工序；将以下工序称为第2调温工序，即，使已成为第1温度T1的上面层的至少一部成为作为规定温度的第2温度T2的工序。应予说明，如上所述，第1调温工序和第2调温工序中的W温度调整不限于由温度调整装置的主动性的温度操作。

如上所述，材料层63优选预热至规定温度以进行固化。以下说明中，将对照射第1光束L1之前的材料层63进行预热的工序称为预热工序。预热温度是根据材料的种类来设定为适当的温度，当第1温度T1适合作为预热温度时，预热温度也可以为第1温度T1。此时，由于预先通过预热工序使材料层63成为第1温度T1，因此在第1调温工序中，能够缩短升温至第1温度T1的时间。

首先，进行第1次的材料层形成工序。如图5所示，在造型工作台25上载置造型板61，将造型工作台25的高度调整到适当的位置。在该状态下，通过将填充有材料粉体的复涂机头23向箭头B方向移动，从而在造型板61上形成第1层的材料层63A。并且，第1次的预热工序在材料层形成工序之后或者与材料层形成工序同时进行。例如，由第1温度调整装置51，通过将造型工作台25调整为规定的预热温度、在这里通过调整到第1温度T1，从而进行第1层的材料层63A的预热。

接着，进行第1次的固化工序。在第1层的材料层63A中的规定部位照射第1光束L1，使第1层的材料层63A的激光照射位置烧结或熔融，从而如图6所示，得到第1层的固化层65a。

接着，进行第2次的材料层形成工序。通过使造型工作台25的高度下降与材料层63的规定厚度相当的量，使复涂机头23向箭头B方向移动，从而在第1层的固化层65a上形成第2层的材料层63b。并且，进行预热工序，进行第2层的材料层63b的预热。

接着，进行第2次的固化工序。通过在第2层的材料层63b中的规定部位照射第1光束L1，使第2层的材料层63b激光照射位置烧结或熔融，从而如图7所示，得到第2层的固化层65b。

通过反复进行以上的工序，形成第3层以后的固化层65。

优选第1调温工序与上述的工序同时进行。在第1实施方式中，由于预热温度为第1温度T1，因此，通过固化工序形成的固化层65，即上面层由温度调整装置调整温度至第1温度T1，并维持在第1温度T1。换言之，一并进行对于材料层63的预热工序和对于上面层的第1调温工序。

在形成有规定个数的固化层65的阶段，进行第2调温工序。温度调整装置将保持在第1温度T1的上面层调整至第2温度T2。在第2调温工序之后，温度调整装置将上面层调整为预热温度，在这里为调整至第1温度T1，以备接下来的预热工序。

应予说明，在像第1实施方式这样的具备切削装置4的层叠造型装置中，在形成规定个数的固化层65时，也可以对固化层65的端面实施切削工序，该切削工序是通过安装在主轴头43的切削工具进行切削加工的工序。优选对第2调温工序后的上面层实施切削加工。此时，由于能够对引起马氏体相变而尺寸稳定之后的上面层进行切削，因此能够更高精度地进行切削。更优选对在第2调温工序后温度调整为常温的上面层实施切削加工。此时，由于能够抑制因温度引起的膨胀或收缩的影响而对上面层进行切削，因此能够更高精度地进行切削。这里，常温被定义为约5℃～35℃的温度。另外，有时候在烧结或熔融时产生的溅射沉积附着于固化层65的表面而产生突起部，但在材料层形成工序时复涂机头23的刮刀与突起部发生碰撞时，为去除突起部，也可以对最上位的固化层65的上表面进行切削加工。

根据需要反复实施这样的材料层形成工序、预热工序、固化工序、第1调温工序、第2调温工序以及切削工序，形成期望的三维造型物。应予说明，第1调温工序和第2调温工序可以在形成每1层的固化层65时进行，也可以在形成每多个层时进行，也可以根据切削工序的实施在其直前进行。如上所述，第1调温工序也可以与其他工序同时进行。并且，第1调温工序和第2调温工序的实施周期也可以例如根据造型物的形状而以可变的方式进行设定。

[第2实施方式]

接着，利用附图说明本发明的第2实施方式。在以下的实施方式中所示的各种特征事项可相互组合。应予说明，如图8所示，在与第1实施方式实质上等同的结构部件赋予相同的符号，并省略其详细说明。具体而言，腔室1、材料层形成装置2、切削装置4与第1实施方式等同。

照射单元3B设置于腔室1的上方。如图9所示，第2实施方式所涉及的照射单元3B包含第1照射装置31、第2照射装置32、偏光机构33、以及扫描机构34。所述第1照射装置31向材料层63的规定的照射区域RI照射第1光束L1而使其烧结或熔融，从而形成固化层65；所述第2照射装置32向通过第1光束L1形成的固化层65照射第2光束L2，从而调整为作为规定温度的第1温度T1的第2照射装置32；所述扫描机构34扫描第1光束L1和第2光束L2。第1照射装置31具备第1光源311、第1准直器313、以及第1聚焦控制单元315。另外，第2照射装置32具备第2光源321、以及第2准直器323。应予说明，也可以根据需要设置其他部件，例如，第2照射装置32还可以具备将由第2光源321输出的第2光束L2调整为期望的照射光斑直径的第2聚焦控制单元。

第1光源311输出第1光束L1。这里，第1光束L1是能够烧结或熔融材料层63的激光，例如为CO2激光、光纤激光、或者YAG激光等。第1准直器313将由第1光源311输出的第1光束L1转换为平行光。第1聚焦控制单元315将由第1光源311输出的第1光束L1进行聚光并调整为期望的光斑直径。接着，第1光束L1到达偏光机构33，偏光的第1光束L1，在这里，反射光射向扫描机构34的电控反射镜34x、34y。

第2光源321输出第2光束L2。这里，第2光束L2是能够将固化层65，尤其是上面层调整为第1温度T1的激光，例如，CO2激光、光纤激光、或者YAG激光等。第2准直器323键由第2光源321输出的第2光束L2转换为平行光。第2光束L2到达偏光机构33，其透射光射向扫描机构34的电控反射镜34x、34y。

通过如上的结构，第2光束L2将上面层调整为第1温度T1。换言之，第2实施方式的第3温度调整装置包含第2照射装置32，该第2照射装置32向通过第1光束L1形成的上面层照射第2光束L2，从而调整至第1温度T1。优选设有将上面层调整为第2温度T2的第4温度调整装置。第4温度调整装置例如包含设置在造型工作台25内且能够将上面层调整为第2温度T2的冷却器。冷却器例如为流通热介质的管道。

并且，在第2实施方式中，第2光束L2也可以被使用于对在照射第1光束L1之前的材料层63进行预热。当使用于对第2光束L2的预热时，其他的预热手段不是必须的。例如，也可以不在造型工作台25设置用于预热的加热器。

优选第2光束L2的照射点构成为大于第1光束L1的照射点，且围绕第1光束L1的照射点。应予说明，照射点是指照射位置，换言之，意味着材料层63或固化层65的第1光束L1和第2光束L2的形状。当第1光束L1和第2光束L2的照射点大致呈圆形时，使第1光束L1的照射位置上的照射点的直径为d1、第2光束L2的照射点的直径为d2，则d2/d1例如为10≤d2/d1≤1000。通过这样的第2光束L2，能够适当地进行在照射第1光束L1前的材料层63的预热、以及照射第1光束L1而固化的固化层65、即上面层的向第1温度T1的调整。

偏光机构33使第1光束L1或第2光束L2中的一方透射，并使一方偏光至与另一方相同的光路。偏光机构33例如为光束分离器等滤光器。如上所述，在本实施方式中，构成为使通过偏光机构33偏光了的第1光束L1、以及透过偏光机构33的第2光束L2成为同轴光而射向电控反射镜34x、34y。通过这样的构成，能够通过1个扫描机构34而使中心位置大致一致地扫描第1光束L1和第2光束L2。

应予说明，如上所述，配置第1照射装置31和第2照射装置32，以使通过偏光机构33偏光的第1光束L1、以及透过偏光机构33的第2光束L2成为同轴光而射向电控反射镜34x、34y。然而，也可以构成为使透过偏光机构33的第1光束L1、以及通过偏光机构33偏光的第2光束L2成为同轴光而射向电控反射镜34x、34y。

扫描机构34例如为电扫描仪，电扫描仪具备一对电控反射镜34x、34y、以及分别使各电控反射镜34x、34y旋转的促动器。电控反射镜34x、34y以能够控制由第1光源311和第2光源321输出的第1光束L1和第2光束L2的方式进行2次元扫描。电控反射镜34x、34y分别根据由未图示的控制装置输入的旋转角度控制信号的大小来控制旋转角度。因为这样的特征，通过改变输入到电控反射镜34x、34y的各个促动器的旋转角度控制信号的大小，从而能够在期望的位置照射成同轴光的第1光束L1和第2光束L2。

通过电控反射镜34x、34y的第1光束L1和第2光束L2透过设置于腔室1的上部的保护窗11，从而照射到形成于造型区域RM的材料层63。

这里，对第2实施方式的第1光束L1和第2光束L2的扫描方法进行说明。在本实施方式中，如图10所示，各个分割层上的照射区域RI以规定宽度w分割为1个以上的分割区域，在各个分割区域进行第1光束L1和第2光束L2的扫描。具体而言，如图11的箭头所述，沿着与所定宽度w直交的扫描方向s依次进行分割区域上的第1光束L1和第2光束L2的规定宽度w方向的扫描。由于第2光束L2的照射点大于第1光束L1的照射点，各个照射点的中心大致相同，因此在照射区域RI上的各个部位，成为相比于第1光束L1，第2光束L2照射更长的时间。应予说明，如上所述的第1光束L1和第2光束L2的扫描方法只是一个例子，也可以采用各种扫描方法。具体而言，在上面示出了光栅扫描的例子，但也可以为矢量扫描，也可以为这些的组合。并且，分割区域也可以以任意的手法来设定。

第2实施方式所涉及的层叠造型装置的特征在于，至少利用第2照射装置32而使上面层调整为第1温度T1，接着上面层被调整为第2温度T2。在第2实施方式中，满足下述公式(1)至(3)的所有关系。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)。

烧结或熔融之后，被调整到第2温度T2前的上面层是包含奥氏体相的状态，通过成为第2温度T2，至少一部分相变为马氏体相。应予说明，第2实施方式中，具体而言，上面层是后述的在第1调温工序时点的最上位的固化层65。

如上所述，作为第3温度调整装置构成第2照射装置32，从而能够将上面层调整为第1温度T1。并且，被调整到第1温度T1的上面层通过向下层的固化层65或造型板61和周围的惰性气体进行放热，从而被调整到第2温度T2。尤其是，如本实施方式，当设置有第4温度调整装置时，例如造型工作台25被调整为与第2温度T2相同温度时，能够有效地将上面层调整为第2温度T2。

并且，层叠造型装置具备测定最上位的材料层63或上面层的温度的温度传感器55，温度调整装置也可以被反馈控制。例如，第2光束L2的扫描速度、激光强度、照射光斑直径的大小也可以被反馈控制。通过这样的构成，能够更正确地控制最上位的材料层63或上面层的温度。应予说明，也可以设置多个温度传感器55。并且，温度传感器55例如为红外线温度传感器。

这里，对第2实施方式所涉及的层叠造型物的制造方法的各个工序进行说明。材料层形成工序、预热工序、固化工序、第1调温工序、第2调温工序、切削工序的定义如上所述。尤其是，在第2实施方式中，通过第2光束L2进行预热工序和第1调温工序。

首先，进行材料层形成工序。在被调整为适当位置的造型工作台25上的造型板61或固化层65上，通过复涂机头23形成材料层63。

接着，进行预热工序、固化工序、第1调温工序和第2调温工序。虽然预热工序、固化工序、第1调温工序和第2调温工序是同时进行的，但针对于某一位置处是按照预热工序、固化工序、第1调温工序、第2调温工序依次进行的。在这里，请注意图12A至图12E的规定部位P。在图12A至图12E，示意性地表示在扫描经路包含规定部位P的规定宽度w方向的第1光束L1和第2光束L2的扫描。

在图12A所示的状态下，材料层63的规定部位P并未照射第1光束L1和第2光束L2。这里，在规定部位P进行第1次的预热工序。如图12B所示，第1光束L1和第2光束L2被扫，在规定部位P照射第2光束L2。由此，规定部位P被预热为适合固化的温度。应予说明，优选在分割区域扫描第1光束L1和第2光束L2之前，向规定时间起始点附近的材料层63照射第2光束L2，直到各个分割区域上的扫描的起始点附近的材料层63升温至适合固化的温度。

接着，在规定部位P进行固化工序。即，如图12C所示，向材料层63中的规定部位P照射第1光束L1，从而使材料层63的激光照射位置烧结或熔融。即，规定部位P成为固化层65的一部分。

接着，在规定部位P进行第1调温工序。如图12D所示，向成为固化层65的规定部位P照射第2光束L2。通过第2光束L2的照射使规定部位P至少达到第1温度T1。应予说明，下述方式是优选的，即，第1光束L1和第2光束L2结束在分割区域上的扫描之后，向规定时间终点附近的固化层65照射第2光束L2，直到充分照射第2光束L2以使各个分割区域上的扫描的终点附近的固化层65被调整为第2温度T2时得以引起马氏体相变。此外，在第1调温工序中保持第1温度T1的时间和第1温度T1是根据所使用的金属材料或假设使用的金属材料来设定为适当的值，例如可以通过第2光束L2的扫描速度、激光强度、照射光斑直径的大小来调整。

如图12E所示，在结束用第2光束L2向规定部P的照射之后，在规定部位P进行第2调温工序。规定部位P被下层的固化层65、造型板61、惰性气体气氛等吸收热量变为第2温度T2。

反复进行这样的材料层形成工序、预热工序、固化工序、第1调温工序以及第2调温工序、以及优选适当插入的切削工序，从而形成期望的三维造型物。应予说明，在上述的制造方法中，同时进行预热工序、固化工序、第1调温工序以及第2调温工序，但若是在各个部位以预热工序、固化工序、第1调温工序、第2调温工序的顺序进行各个工序，则预热工序、固化工序、第1调温工序以及第2调温工序也可以不同时进行。例如，也可以在在每次结束1层或多个层的固化层65的形成所涉及的固化工序时，进行第1调温工序和第2调温工序。应予说明，此时，上面层是至少包含在第1调温工序时点的最上位的固化层的所述1层或多个层的固化层65。

[温度模式]

如作为第1实施方式和第2实施方式的具体例示，一边反复进行包括第1调温工序和第2调温工序的温度调整，一边进行层叠造型，从而通过马氏体相变时的体积膨胀，减轻固化层65的由于冷却的收缩而引起的拉伸应力，以此能够抑制造型物的变形。换言之，一边在造型过程中多次进行第1调温工序和第2调温工序而减轻拉伸应力，一边进行固化层的层叠。

引起马氏体相变的温度范围是马氏体相变开始温度Ms以下且马氏体相变结束温度Mf以上。即，因马氏体相变的膨胀量、乃至造型物的残留应力可通过第1温度T1、第2温度T2、以及马氏体相变开始温度Ms、马氏体相变结束温度Mf的关系来控制。这里，作为残留应力的控制方法的代表性例子，可列举图13至图18所示的温度调整模式。图13至图18中，第1实施方式的温度变化、即，示意性的表示在规定的分割层的固化层65固化之后，以第1温度T1、第2温度T2、第1温度T1的顺序调整温度的温度变化。若具体说明第1实施方式的各个时点的温度变化，首先，向材料层63照射第1光束L1，形成固化层65。固化层65的热量会在形成之后迅速被下层的固化层65或造型板61等而吸收，固化层65的温度维持在第1温度T1(T1)。若规定层的固化层65被形成(T2)、固化层65被调整为第2温度T2(t3)。结束至第2温度T2的温度调整之后(t4)，固化层65再次被升温至第1温度T1(t5)。应予说明，如上所述，由于固化层65的规定部位至少以第1温度T1、第2温度T2的顺序进行温度调整即可，因此，本申请不限于图13至图18所示的温度变化。图13至图18只是用于视觉性的表示各个关系式的参考图。并且，对于所有分割层所涉及的固化层65适用相同的模式，但也可以对于各个分割层所涉及的固化层65适用不同的模式。

＜模式A＞

在模式A中，第1温度T1、第2温度T2均不包括在引起马氏体相变的温度范围。即，满足所有下述公式(1)、(2)、(3)、(4)以及(5)。并且，将模式A的规定的固化层65的温度变化的概略图示于图13。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)；

T1＞Ms 公式(4)；

T2＜Mf 公式(5)。

在模式A中，在能够通过温度调整装置进行温度调整的范围内不会有第1温度T1的上限和第2温度T2的下限而使温度控制变得容易。并且，从马氏体相变开始温度Ms以上开始第2调温工序，并进行第2调温工序至马氏体相变结束温度Mf以下，换言之，由于在引起马氏体相变的所有温度范围的范围内引起马氏体相变而使再现性较高。是适合于由马氏体相变的膨胀量为造型时的收缩量以下的材料的控制方法。

＜模式B＞

在模式B中，引起马氏体相变的温度范围仅包括第2温度T2。即，满足所有下述公式(1)、(2)、(3)、(4)、以及(6)。并且，将模式B的规定的固化层65的温度变化的示意图示于图14。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)；

T1＞Ms 公式(4)；

T2≥Mf 公式(6)。

在模式B中，无须考虑由于第1光束L1的照射的固化层65的温度升温的影响，能够在抑制残留应力的状态下进行造型，在结束造型之后能够通过降低温度而产生压缩应力。通过留下适合于造型物的压缩应力，从而能够抑制开裂的发生。是适合于由马氏体相变的膨胀量充分大于造型时的收缩量的材料的控制方法。

＜模式C＞

在模式中，第1温度T1、第2温度T2均被包括在引起马氏体相变的温度范围中。即，满足所有下述公式(1)、(2)、(3)、(6)以及(7)。并且，将模式C的规定的固化层65的温度变化的示意图示于图15。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)；

T1≤Ms 公式(7)；

T2≥Mf 公式(6)。

在模式C中，当能够正确地进行温度控制时，能够控制造型中和造型结束而温度下降之后的残留应力。是适合于由马氏体相变的膨胀量充分大于造型时的收缩量的材料的控制方法。

＜模式D＞

在模式D中，仅第1温度T1被包括在引起马氏体相变的温度范围中。即，满足所有下述公式(1)、(2)、(3)、(5)、以及(7)。并且，将模式D的规定的固化层65的温度变化的示意图示于图16。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)；

T1≤Ms 公式(7)；

T2＜Mf 公式(5)；

在模式D中，虽然有因第1光束L1的照射引起的固化层65的温度上升的影响，但造型中的残留应力与造型结束后的残留应力大概一致，因而容易管理。特别是，在实施对被调整为第2温度T2的固化层65进行切削加工的切削工序时，由于能够更高精度地完成造型物，因而优选。是适合于由马氏体相变的膨胀量充分大于造型时的收缩量的材料的控制方法。

在模式A模式B中，马氏体相变开始温度Ms相对较高时，能够得到更高温度的第1温度T1。在第2实施方式所涉及的层叠造型装置中，由于利用第2光束L2对上面层进行加热，能够实现较高的第1温度T1，因此适合于模式A和模式B的实施。

并且，当如模式B或模式C，第2温度T2不等于马氏体相变结束温度Mf时，在造型结束后，三维造型物的温度不到第2温度T2时，会进一步进行马氏体相变而有可能发生意外的膨胀。于是，在模式B和模式C中，优选将第2温度T2设定为三维造型物在造型后暴露的最低温度Tm以下。即，更优选下述的模式B2和模式C2。

＜模式B2＞

在模式B2中，满足所有下述公式(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(8)以及(9)。并且，将模式B2的固化层65的温度变化的示意图示于图17。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)；

T1＞Ms 公式(4)；

T2≥Mf 公式(6)；

T2≠Mf 公式(8)；

T2≤Tm 公式(9)。

＜模式C2＞

在模式C2中，满足所有下述公式(1)、(2)、(3)、(6)、(7)、(8)以及(9)。并且，将模式C2的规定的固化层65的温度变化的示意图示于图18。

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)；

T1≤Ms 公式(7)；

T2≥Mf 公式(6)；

T2≠Mf 公式(8)；

T2≤Tm 公式(9)。

[材料]

上述的各温度模式分别限定可适应的材料。例如，进行模式A的温度调整时，在能够通过温度调整装置来进行温度控制的范围内，需要至少包括马氏体相变开始温度Ms和马氏体相变结束温度Mf，但并不是所有的材料满足该条件。另一方面，被认为马氏体相变开始温度Ms和马氏体相变结束温度Mf会根据材料的碳含量发生变化。于是，通过调整材料的碳含量，可以将利用本发明的马氏体相变的造型方法适应于多种材料。

作为材料的碳含量的调整方法，例如可混合多个材料。具体而言，也可以将作为规定金属的第1金属与作为碳含量相对较高的别的金属的第2金属或碳中的至少一方进行混合，从而生成具有期望的马氏体相变开始温度Ms或马氏体相变结束温度Mf的混合材料。

[其他变形例]

第1实施方式和第2实施方式所涉及的层叠造型装置是通过粉末烧结层叠造型方式或粉末熔融层叠造型方式的层叠造型装置，但也可以是通过片层叠方式的层叠造型装置。在片层叠方式中，材料层形成装置使用板状的金属片，对造型区域RM将期望的三维造型物以规定高度分割而成的多个分割层的每一层形成材料层。即，构成为，使用板状的金属片来取代材料粉体而形成材料层，并反复在材料层的规定部位照射第1光束L1使金属片熔融。

在第1实施方式和第2实施方式中，作为第1光束L1使用激光，但若是能够形成固化层65，也可以为其他结构，例如第1光束L1也可以为电子束。并且，在第2实施方式中，作为第2光束L2使用激光，但若是能够将固化层65调整为第1温度T1，也可以为其他结构，例如第2光束L2也可以为电子束。

只要满足所有下述公式(1)至(3)的关系，

T1≥Mf 公式(1)；

T1＞T2 公式(2)；

T2≤Ms 公式(3)。

第1温度T1和第2温度T2在造型中也可以不恒定。例如，也可以改变各个第1调温工序或第2调温工序的第1温度T1和第2温度T2的具体数值。

如上所述，对本发明的实施方式和变形例进行了说明，但这些只是作为例子而提示的，并不意味着限定本发明的范围。这些新的实施方式可以通过其他各种方式来实施，在不脱离发明的要点的范围内，可以进行各种省略、置换、改变。特别是，第1实施方式和第2实施方式中所示的各个技术特征在不出现技术性矛盾的范围内可以相互组合。这些实施方式和变形例包括在发明的范围或要点的同时包括在权利要求的范围所记载的发明和与其均等的范围内。

【实施例】

以下，利用实施例对具体内容进行详细说明，本发明不限定于以下实施例。

作为材料，利用由平均粒径20μm的SUS 420J2构成的材料粉体，于各种温度条件下，在造型板61上进行了所定造型物的层叠造型。SUS 420J2是日本工业规格所规定的马氏体不锈钢，造型前的碳含量低于0.44wt％，马氏体相变开始温度Ms大约为100℃、马氏体相变结束温度Mf大约为0℃。造型板61的尺寸为纵125mm、横125mm、厚度15mm。造型物的尺寸为纵80mm、横80mm、厚度35mm。

[实施例]

首先，利用第1温度调整装置51将造型工作台25的温度调整为70℃。接着，反复进行利用复涂机头23在造型工作台25上均匀地散布材料粉体而形成材料层63的材料层形成工序、以及向材料层63的规定部位照射约4分的作为激光的第1光束L1而烧结材料粉体的固化工序，从而形成由多个固化层65而形成的厚度为5mm上面层。随后，将保持在约70℃的造型工作台25的温度降温至29℃。上面层的温度降温至29℃之后，再次将造型工作台25的温度升温至70℃。即，利用第1实施方式的层叠造型装置，进行了相当于上述模式D的温度调整工序。接着，反复进行6次同样的工序，得到的规定的造型物。对于得到的造型物，通过造型板61的背面，即，通过测定形成有造型物的面的反对面的弯曲状态，确认了残留应力的状态。结果，如图19和图20所示，为抑制了残留应力的状态。

[比较例]

在将造型工作台25的温度恒定地保持在24℃的状态下，反复进行材料层形成工序和固化工序，得到的规定的造型物。与实施例同样地确认造型物的状态的结果，如图21和图22所示，为形变较大且拉伸应力较大的状态。应予说明，造型物和造型物与造型板61的交接出现了开裂。

Claims (32)

1.一种层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置具备：

材料层形成装置，其在造型区域形成材料层，所述材料层形成于以规定高度将期望的三维造型物进行分割而成的多个分割层中的每个分割层；

第1照射装置，其向规定的所述分割层的所述材料层的规定的照射区域照射第1光束而进行烧结或熔融来形成固化层；以及

温度调整装置，其将所述固化层的至少一部分的温度调整为作为规定温度的第1温度或作为规定温度的第2温度中的至少一方，其中，

所述固化层的所述至少一部分在变为所述第1温度之后，变为所述第2温度，

其中，设所述第1温度为T1、所述第2温度为T2、所述固化层的马氏体相变开始温度为Ms、所述固化层的马氏体相变结束温度为Mf，则满足所有下述公式(1)至(3)的关系，

T1≥Mf (1)；

T1＞T2 (2)；

T2≤Ms (3)。

2.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备覆盖所述造型区域的腔室。

3.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述第1光束为激光或电子束。

4.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述温度调整装置至少包括1个或多个加热器、或者1个或多个冷却器中的一方，所述加热器将所述固化层调整为所述第1温度，所述冷却器将所述固化层调整为所述第2温度，

所述温度调整装置以所述第1温度、所述第2温度的顺序调整所述固化层的温度。

5.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述温度调整装置至少包括1个或多个加热器、或者1个或多个冷却器中的一方，所述加热器将所述固化层调整为所述第1温度，所述冷却器将所述固化层调整为所述第2温度，

所述温度调整装置以所述第1温度、所述第2温度、所述第1温度的顺序调整所述固化层的温度。

6.根据权利要求4或5所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备设置于所述造型区域，且能够以上下方向移动的造型工作台，

所述加热器或所述冷却器中的至少1个设置于所述造型工作台内。

7.根据权利要求4或5所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述加热器或所述冷却器中的至少1个从所述固化层的上侧进行温度调整。

8.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述温度调整装置还包括第2照射装置，所述第2照射装置向通过所述第1光束形成的所述固化层照射第2光束从而调整为所述第1温度。

9.根据权利要求8所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述第2光束是激光或电子束。

10.根据权利要求8所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备设置于所述造型区域且能够以上下方向移动的造型工作台，

所述温度调整装置还包括设置于所述造型工作台内且将所述固化层调整为所述第2温度的冷却器。

11.根据权利要求8所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述第2光束的照射点大于所述第1光束的照射点，且包围所述第1光束的照射点。

12.根据权利要求8所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述第2光束对所述第1光束照射前的所述材料层进行预热。

13.根据权利要求8所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述第1光束与所述第2光束是同轴光。

14.根据权利要求13所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备：

偏光机构，其使所述第1光束或所述第2光束中的一方透过，将另一方偏光为与所述一方相同的光路；以及

扫描机构，其扫描通过所述偏光机构而成为同轴光的所述第1光束与所述第2光束。

15.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述材料层由碳钢或马氏体不锈钢构成。

16.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

所述材料层由混合材料构成，所述混合材料包含第1金属、以及碳含量高于所述第1金属的第2金属或碳中的至少一方。

17.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备测定所述固化层的温度的温度传感器，

所述温度调整装置通过由所述温度传感器测定的温度进行反馈控制。

18.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备切削所述固化层的切削装置，

所述切削装置在所述温度调整装置对所述固化层进行从所述第1温度调整至所述第2温度的温度调整之后，在从所述第2温度调整至所述第1温度之前，对所述固化层的端面进行切削。

19.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

还满足下述公式(4)和(5)的关系，

T1＞Ms (4)；

T2＜Mf (5)。

20.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

还满足下述公式(4)和(6)的关系，

T1＞Ms (4)；

T2≥Mf (6)。

21.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

还满足下述公式(7)和(6)的关系，

T1≤Ms (7)；

T2≥Mf (6)。

22.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其特征在于，

还满足下述公式(7)和(5)的关系，

T1≤Ms (7)；

T2＜Mf (5)。

23.根据权利要求20或21所述的层叠造型装置，其特征在于，

设所述三维造型物在造型后曝光的最低温度为Tm，则还满足下述公式(8)和(9)的关系，

T2≠Mf (8)；

T2≤Tm (9)。

24.一种层叠造型物的制造方法，其特征在于，具备：

材料层形成工序，在造型区域形成材料层，所述材料层形成于以规定高度将期望的三维造型物进行分割而成的多个分割层中的每个分割层；

固化工序，向规定的所述分割层的所述材料层的规定的照射区域照射第1光束从而进行烧结或熔融来形成固化层；

第1调温工序，使所述固化层的至少一部分的温度为作为规定温度的第1温度；以及

第2调温工序，使成为所述第1温度的所述固化层的所述至少一部分为作为规定温度的第2温度，

设所述第1温度为T1、所述第2温度为T2、所述固化层的马氏体相变开始温度为Ms、所述固化层的马氏体相变结束温度为Mf，满足所有下述公式(1)至(3)的关系，

T1≥Mf (1)；

T1＞T2 (2)；

T2≤Ms (3)。

25.根据权利要求24所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，所述制造方法还具备将所述第1光束被照射之前的所述材料层进行预热的预热工序。

26.根据权利要求24所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，所述制造方法还具备切削所述固化层的切削工序，

所述切削工序在所述第2调温工序之后，对所述固化层进行切削。

27.根据权利要求26所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，

所述切削工是在所述第2调温工序之后，且在常温下对已被调整温度的所述固化层进行切削。

28.根据权利要求24所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，

还满足下述公式(4)和(5)的关系，

T1＞Ms (4)；

T2＜Mf (5)。

29.根据权利要求24所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，

还满足下述公式(4)和(6)的关系，

T1＞Ms (4)；

T2≥Mf (6)。

30.根据权利要求24所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，

还满足下述公式(7)和(6)的关系，

T1≤Ms (7)；

T2≥Mf (6)。

31.根据权利要求24所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，

还满足下述公式(7)和(5)的关系，

T1≤Ms (7)；

T2＜Mf (5)。

32.根据权利要求29或30所述的层叠造物的制造方法，其特征在于，

设所述三维造型物在造型后曝光的最低温度为Tm，则还满足下述公式(8)和(9)的关系，

T2≠Mf (8)；

T2≤Tm (9)。